СВЧ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЯИЦ В ПТИЦЕВОДЧЕСКИХ

Таблица 1 – Теоретические выражения, позволяющие обосновать конструктивно-технологические параметры СВЧ установок для обработки яиц

Пастеризация яичной массы

Согласование производительности СВЧ установки с электрическими параметрами яичной массы для снижения в ней ОМЧ. Известно, что , (1) где Р – интенсивность потока энергии после прохождения через слой меланжа, Вт/см3; Р0 – интенсивность потока энергии, поступающей в меланж, Вт/см3; – коэффициент поглощения, см-1, ; d – толщина слоя меланжа, см; – длина волны, равная 12,24 см; – диэлектрическая проницаемость яичной массы; – тангенс угла диэлектрических потерь яичной массы. Эмпирические выражения, характеризующие зависимость степени снижения ОМЧ от удельной мощности и продолжительности воздействия ЭМИ при общем микробном числе в исходной яичной массе, равном ОМЧисх = 2,1106 КОЕ/г: 1) ОМЧ = 4E+06e-0,4169, 2) ОМЧ = 3E+06e-0,2831, 3) ОМЧ = 3E+06e-0,2184, 4) ОМЧ = 3E+06e-0,141, (2) соответственно для удельных мощностей: 16; 8,0; 5,33; 1,6 Вт/г; где – продолжительность воздействия, с; КОЕ – колонообразующие единицы. Эти эмпирические выражения можно представить в виде: ОМЧ / ОМЧисх e–А, (3) где показатель А, учитывает значение удельной мощности воздействия ЭМИ и коэффициент сопротивляемости бактерий, находящихся в сырье. Мощность СВЧ установки через ее производительность и необходимую степень снижения ОМЧ в яичной массе (П.А.Рубцов, В.Ф.Соколов): (4) где Рсвч – полезная мощность СВЧ генератора, Вт; ген – кпд генератора; k – коэффициент сопротивляемости бактерий к воздействию ЭМИ, находящихся в яичной массе, Втс/см2; для палочек коли k = 2500 10-6 Вт с/см2; Q – производительность СВЧ установки, см3/с. Производительность СВЧ установки через повышение температуры в яичной массе: (5) (6) Q = Pсвч / Wуд, кг/ч, (7) где с – удельная теплоемкость яичной массы, кДж/кг°С; Т – приращение температуры (°С) яичной массы за промежуток времени (с); Руд – удельная мощность воздействия, Вт/кг; Wуд – удельные энергетические затраты, Втч/кг.

Условие выравнивания поглощаемой энергии и потерь энергии за счет теплопередачи с площади поверхности микроорганизма, а также за счет теплового излучения: , В/см. (8) Потерями на тепловое излучение в случае бактерий можно пренебречь, тогда критическая напряженность электрического поля равна: ,В/см, (9) где 1 – коэффициент теплопроводности воздуха (0,023 Вт/м°С); r, S, V – соответственно, радиус (см), площадь поверхности (см2), объем образца (см3); – превышение температуры образца, °С; – угловая частота СВЧ излучения, с-1; f – частота электромагнитного поля, Гц; 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 10-12 Ф/м). При нагреве образца яичной массы на 10 градусов выравнивание поглощаемой энергии и потери энергии за счет теплопередачи с площади поверхности микроорганизма происходит при напряженности электрического поля: , кВ/см. Энергия (10); продолжительность нагрева с, где m – масса образца, г; с – теплоемкость образца Дж/г°С; Р – подводимая к образцу мощность, Вт. Величину напряженности электрического поля в дополнительной резонаторной камере необходимо согласовать с его добротностью: Е = РQ / 0,27о V, (11) где Q – добротность резонатора; V – объем дополнительного резонатора, л. Если добротность резонатора 150…300, то напряженность электрического поля для СВЧ генератора полезной мощностью 700…800 Вт составляет в пределах 14 кВ/см. Порог пробоя воздуха в диапазоне СВЧ равен 30 кВ/ см. (12)

Варка некондиционных яиц

Согласование физико-механических свойств компонентов яйца с производительностью установки. Зная конечную температуру нагрева желтка Тж. = 110 °С, определяем: ; (16) Q = Pсвч /Wуд, кг/ч, (17) где Руд – удельная мощность, Вт/г; Рсвч – мощность СВЧ генератора, кВт; – количество яиц, штук; G – масса яйца, кг; Тб, Тж – соответственно приращение температуры в белке и желтке, °С; сж, сб – теплоемкость желтка и белка, Дж/кг°С (с­б = 4,1 кДж/кг°С, сж = 2,8 кДж/кг°С); – продолжительность нагрева желтка в одном модуле, с; nn – количество СВЧ генераторов, шт.; – кпд генератора (0,667); Q – производительность СВЧ установки, кг/ч; Wуд – удельные энергетические затраты на варку яиц, кВтч/кг.

Распределение температуры внутри двухжелткового яйца. Температура белка на расстоянии r (м) от центра желтка и количество теплоты (Q1, Дж), отдаваемое желтками через площадь F (м)2: , (18) где: Т – температура белка, °С; к – коэффициент теплопроводности белка, Вт/м°С; с – постоянная интегрирования. Количество теплоты, отдаваемое яйцом в течение 1 секунды: Температура белка под скорлупой в конце варки увеличивается на 18 °С за счет теплопередачи от двух желтков. Превышение температуры в белке за счет токов поляризации составляет 64,7 °С, тогда конечная температура в белке равна 100,7 °С, что на 10 °С меньше, чем в желтке.

Продолжительность одного цикла включает продолжительность охлаждения до () и после () рабочей камеры, продолжительность нагрева () в рабочей камере и продолжительность охлаждения в процессе перехода яиц с подающего на отводящий транспортер (t1). Например, для первого модуля: , с. (19) С учетом конструктивных параметров роликового транспортера, продолжительность цикла соответствующего модуля составляет: где Sк – отрезок пути от начала движения яиц, м; nр – количество роликов, шт.; Dр – диаметр роликов, м; – масса роликов, г; G – масса яиц, г; – коэффициент трения в осях ролика; – диаметр оси ролика, м; k – коэффициент трения качения яиц по ролику; – момент инерции ролика относительно оси его вращения, кГм2; g – ускорение свободного падения, м/с2; d – диаметр яйца, м; f1 и f0 – коэффициенты трения яиц по диэлектрической основе подающего транспортера и по мостику; L – зазор между транспортерами, м; – скорость перемещения яиц через n-ый модуль, м/с; t – продолжительность перехода яиц с подающего на отводящий транспортер n-ого модуля, с. Величину скважности технологического процесса варки яиц в каждом модуле вычисляем как отношение продолжительности нагрева к продолжительности цикла.

В третьей главе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены частные методики исследований, характеристики использованной измерительной аппаратуры, операционно-технологическая схема обработки яиц, описания разработанных и изготовленных СВЧ установок для пастеризации яичной массы и варки яиц без воды. Источниками СВЧ энергии служили генераторы МW20МД, СЕ283GNR, Н–MW1317, DL–63L 20S, работающие на частоте 2450 МГц, потребляемой мощностью 1200 Вт. Воздействие УФ лучами на яичную массу осуществляли при помощи облучателя, содержащего лампу ДРТ 220-240. Контроль биологически опасных электромагнитных излучений (напряженность и плотность потока энергии) около СВЧ установок осуществляли с помощью измерителя электромагнитных излучений ПЗ-31 (до 40000 МГц, 615 В/м) в испытательной лаборатории ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашия». Скорость потока яичной массы регулировали с помощью циркуляционного насоса марки НЦ 65/А. Расход жидкости определяли с помощью антимагнитного счетчика СГВ-15 «Бетар». Исследование процесса варки яиц без воды осуществляли с помощью созданного модуля СВЧ установки туннельного типа с реверсивным конвейером, с регулируемой скоростью транспортирования яиц с помощью мотор-редуктора МЭО-6,3-99. Исследование процесса пастеризации яичной массы проводили с помощью двух СВЧ установок: с тросошайбовым транспортером и с циркуляционным насосом.

Пастеризацию яичной массы осуществляли многократным циклическим способом в СВЧ установке с дополнительной резонаторной камерой, обеспечивающей высокую напряженность электрического поля, через которую проложен диэлектрический трубопровод (рис. 2,5) для кругового прохождения диэлектрического тросошайбового транспортера. В процессе транспортировки через дополнительную резонаторную камеру, яичная масса эндогенно нагревается, а за пределами СВЧ генератора выдерживается, подвергается воздействию УФ излучений и охлаждается в кожухотрубном теплообменнике. В результате чего подавляется жизнедеятельность микроорганизмов вегетативной формы. Цикл повторяется несколько раз, в зависимости от значения ОМЧ в исходном сырье и производительности СВЧ установки. Теоретические графики, полученные на основе формулы 4, характеризующие степень снижения ОМЧ в яичной массе от количества циклов воздействия ЭМИ, приведены на рис. 4.

Изготовлена также СВЧ установка для низкотемпературной пастеризации яичной массы в электромагнитном поле высокой напряженности с использованием циркуляционного насоса (рис. 6).

Варка яиц без воды. Основные причины взрыва яиц в ЭМПСВЧ следующие: фактор потерь желтка в 2,57 раза выше, чем у белка при частоте 2450 МГц; теплоемкость белка в 1,5 раза выше, чем у желтка; газопроницаемость скорлупы яйца низкая; при нагреве сырья в ЭМПСВЧ градиенты давления, температуры и влажности направлены от центра к периферии. С учетом указанных специфических особенностей компонентов яйца, для варки некондиционных яиц без воды выработана следующая рекомендация: транспортировать их через объемный резонатор СВЧ генератора многократно с вращением вокруг продольной оси, чередуя с процессом охлаждения. Для реализации способа разработаны две схемы циклической обработки яиц в ЭМПСВЧ: первая схема - через объемные резонаторы каждого модуля яйца транспортируются с разной скоростью; вторая схема - через объемные резонаторы яйца транспортируются с одной скоростью, но с регулируемым потоком мощности. Первая схема реализована с помощью многомодульной СВЧ установки туннельного типа. Общий вид двух модулей установки представлен на рис. 7.

Установка состоит из нескольких СВЧ генераторов 8 (не менее пяти) внутри соответствующих экранных корпусов 7, роликового транспортера с мотор-редуктором. Роликовый транспортер состоит из двух замкнутых транспортерных цепей 3, на которые вмонтированы оси роликов 4. Цепь приводится в движение через ведущие и ведомые звездочки 2. По бокам роликового транспортера установлены диэлектрические ограничители 5. На диэлектрическую подставку установлена диэлектрическая плита, по которой перемещаются ролики рабочей ветви транспортера с яйцами. Входные и выходные окна на экранных корпусах 7 закрыты цепной шторой 6. Ролики 4 свободно вращаются вокруг оси. Реальное исполнение одного модуля СВЧ установки представлено на рис. 8.

Процесс варки яиц в поточной линии происходит следующим образом. Включают электропривод роликовых транспортеров. По мере поступления яиц в рабочую камеру, включают соответствующие СВЧ генераторы. В процессе транспортирования яиц через объемные резонаторы, яйца вращаются вокруг своей продольной оси и эндогенно нагреваются за счет токов поляризации в каждом объемном резонаторе, между генераторами охлаждаются. Яйца подвергаются многократному циклическому воздействию ЭМПСВЧ, через паузы.

Технические характеристики СВЧ установок для обработки яиц в циклическом режиме приведены в табл. 2.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены эффективные конструктивные параметры СВЧ установок, режимы пастеризации яичной массы и варки некондиционных яиц. Наиболее существенными факторами, влияющими на эффективность обработки яиц, с использованием энергии ЭМПСВЧ являются: продолжительность и скорость эндогенного нагрева, удельная мощность генератора, напряженность электрического поля, скважность технологического процесса. Результаты исследования процесса пастеризации яичной массы за счет многократного циклического воздействия ЭМП высокой напряженности СВЧ диапазона, УФ лучей и охлаждения приведены ниже. Исследования динамики нагрева яичной массы в ЭМПСВЧ показывают (рис. 9), что критическая температура нагрева, при которой не происходит коагуляция белка, составляет 30…32 °С, чего можно достичь за 4…16 с, в зависимости от удельной мощности генератора, соответственно 16…4,4 Вт/г.

За счет многократного циклического воздействия электромагнитного поля высокой напряженности СВЧ диапазона (14 кВ/см), УФ лучей и охлаждения происходит подавление жизнедеятельности микроорганизмов в яичной массе, с сохранением вкусовых качеств пастеризованного продукта. Качество сертифицировано в государственном учреждении «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии.

В процессе перекачивания яичной массы через диэлектрический трубопровод с помощью циркуляционного насоса, происходит ее частичная гомогенизация за счет молекулярного трения. Низкотемпературная пастеризация яичной массы за счет многократной циклической обработки в ЭМП высокой напряженности диапазона СВЧ и УФ лучей с последующим охлаждением до 18…20 °С, снижает удельные энергетические затраты с 0,11 Втч/г до 0,085 Втч/г по сравнению с базовым вариантом. Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены поверхность отклика и двумерное сечение в изолиниях модели изменения ОМЧ в яичной массе (рис. 10) в зависимости от варьируемых параметров (удельной мощности СВЧ генератора и суммарной продолжительности воздействия ЭМИ по циклам, плотности яичной массы).

Полученное эмпирическое выражение (21), позволяет оптимизировать удельную мощность генератора и продолжительность пастеризации яичной массы. Эмпирическое выражение модели изменения ОМЧ в яичной массе в процессе пастеризации при постоянной ее плотности, равной 1,033 г/см3: ОМЧ = 345135,175 – 282191 руд – 47726,6 + 10827,15 р2уд + 428,1838 2 +173,654 руд , КОЕ/г, (21)

где руд – удельная мощность, Вт/г; – продолжительность воздействия, с.

Из анализа модели вытекает, что снижение ОМЧ в яичной массе до допустимого уровня 500 тыс. КОЕ/г (с исходным содержанием ОМЧ, равным 2,1106 КОЕ/г) происходит при удельной мощности 6…16 Вт/г и общей продолжительности обработки в ЭМПСВЧ 65…40 с, соответственно. Результаты экспериментальных исследований ОМЧ в яичной массе от суммарной продолжительности воздействия ЭМП высокой напряженности при различной удельной мощности СВЧ генератора приведены на рис. 11. Экспериментальные значения ОМЧ с достаточной доверительной вероятностью коррелируются с теоретическими значениями (рис. 4). Например, для снижения ОМЧ в яичной массе в 4 раза (с 2,1106 до 0,5106 КОЕ/г) при производительности установки 10 кг/ч, количество циклов воздействия ЭМИ должно составлять не менее 10. Графики описываются эмпирическими выражениями 2 (табл. 1).

Диаграмма циклического нагрева некондиционных яиц в многомодульной СВЧ установке туннельного типа приведена на рис. 12. Через объемные резонаторы, установленные в один ряд последовательно, движется роликовый транспортер. Из-за того, что напряженность электрического поля в объемном резонаторе неравномерная, необходимо транспортировать яйца через туннельную рабочую камеру со скоростью меньше критической с одновременным вращением их вокруг продольной оси с частотой меньше критической (60…80 об/мин). В связи с этим, необходимо согласовать между собой экспозицию нагрева яиц и продолжительность всего цикла, удельную мощность генератора, допустимую скорость нагрева компонентов яйца (1,11…1,12 °С/с), критическую скважность процесса воздействия (0,5) и критическую скорость транспортирования яиц (0,15 м/с).

Яйца считаются сваренными, если температура в белке будет равна 106…108 °С, а в желтке - 110…120 °С. Конечную температуру в желтке 120 °С можно достичь при использовании пяти СВЧ генераторов, если в каждом из них температура в среднем повышается на 25 °С за 22 секунды (рис. 12). Эффективные режимы работы СВЧ установок для обработки яиц приведены в табл. 2.

Таблица 2 – Технические характеристики СВЧ установок